Генерирование и передача электрической энергии

Современная энергетика основана на передаче энергии на большие расстояния при помощи трёхфазного переменного электрического тока. Именно трёхфазный переменный ток позволяет просто и с малыми потерями передавать энергию потребителям, выполнять трансформирование.

Большим (определяющим) стимулом применения трехфазного тока является возможность получения электрической энергии большой мощности. У современных турбогенераторов тепловых (гидро-) электростанций мощность достигает значений 1500 МВт.

Существенное значение имеет простота и надёжность потребителей электроэнергии. Например, в наиболее простых и надёжных асинхронных двигателях отсутствуют движущиеся контакты, следствием чего является их долговечность.

Для электрических установок России и большинства стран мира принят стандарт частоты 50 Гц (в США – 60 Гц). Выбор частоты связан с интегрирующими возможностями глаза (с точки зрения интегральной оптики глаз можно рассматривать как пространственный фильтр нижних частот, иначе интегратор): при этой частоте незаметно мигание ламп накаливания, глаза не устают. Снижение частоты в сети ниже 40 Гц приводит к заметному миганию ламп накаливания, увеличение частоты приводит к затруднению передачи энергии по проводам за счёт возрастания ЭДС самоиндукции.

Вместе с тем, для уменьшения ряда электротехнических и радиотехнических задач применяются токи других частот. Например, в цепях энергоснабжения современных летальных аппаратов используется частота 400 Гц (улучшаются массогабаритные характеристики аппаратуры); в электрических печах выплавки тугоплавких и особо чистых металлов используются токи с частотой от 500 Гц до 5 кГц; в радиотехнике для передачи сигналов на расстояния без проводов используются сигналы от единиц МГц до сотен ГГц.

1. Трехфазные электротехнические устройства

В электротехнике термин «фаза» применяется в двух вариантах: как параметр гармонического колебания и как это наименование составной части многофазной системы цепей синусоидального тока.

Наибольшее распространение получила трехфазная система. Она была изобретена и разработана русским ученым-физиком М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г.

Источником энергии в трехфазной системе служит трехфазный генератор.

Рассмотрим принцип работы простейшего двухполюсного генератора (преобразует энергию механического вращения ротора в электрический ток), который основан на законе электромагнитной индукции (рис. 51).

Постоянный магнит N – S (ротор) механически вращается за счет энергии внешнего источника, например падающего потока воды или струи пара, с постоянной угловой скоростью  = 2f внутри неподвижного витка (статора). Мгновенное значение составляющей магнитного потока, пронизывающего виток (действует вдоль оси), описывается выражением

где Ф_м – максимальное значение магнитного потока; α - начальный (при t = 0) угол пространственного положения постоянного магнита относительно витка (оси х).

Рис. 51. К пояснению принципа работы генератора

Согласно закону электромагнитной индукции, при изменении потокосцепления витка (при изменении магнитного потока, пронизывающего виток) в (зажимы a - b) индуцируется ЭДС

,

где Е_m - амплитуда ЭДС;  - угловая скорость вращения магнита; - начальная фаза ЭДС.

В реальных генераторах применяется не один виток, а обмотка (статор), содержащая большое количество витков и определяющая совместно с параметрами постоянного магнита амплитуду ЭДС индукции.

В отличие от однофазного генератора, в трёхфазном генераторе статор содержит не одну, а три изолированные друг от друга обмотки – фазные обмотки генератора. Если ротор генератора (магнит) двухполюсный, то оси обмоток генератора повёрнуты в пространстве относительно друг друга на угол 2/3 (рис. 52).

2/3

2/3

Рис. 52. Устройство трехфазного

генератора

При вращении ротора в фазных обмотках индуцируются фазные ЭДС, имеющие одинаковые амплитуды (за счет симметрии конструкции обмоток), но сдвинутые по фазе на треть периода (на величину , рис. 53). Фазы трехфазного генератора принято обозначать буквами латинского алфавита: А, В, С.

Рис. 53. Временные и векторные диаграммы

фазных напряжений в обмотках

Последовательность чередования фаз (обозначения фаз) не может быть случайной. Обозначения выбираются таким образом, чтобы ЭДС фазы А достигала максимума на треть периода раньше, чем ЭДС фазы В, и на две трети периода раньше, чем ЭДС фазы С. Такая последовательность чередования фаз называется нормальной, или прямой. От последовательности фаз зависит направление вращения трехфазных двигателей (устройство преобразования электрической энергии в механическое вращение вала):

;

;

.

Особенностью трехфазной системы является равенство нулю алгебраической суммы комплексных значений фазных ЭДС и алгебраической суммы мгновенных значений фазных ЭДС:

;

.

Для создания трехфазной системы необходимо определенным образом (правильно с точки зрения электротехники трехфазного тока) соединить фазы источника энергии и фазы приемника.

2. Соединение фаз «звездой»

Фазные обмотки трехфазного генератора можно соединить с тремя приемниками энергии шестью проводами. При этом образуются три независимые фазные цепи (рис. 54).

Рис. 54. Трехфазная система: парное соединение

На рис. 54 стрелки фазных ЭДС показывают положительные направления; А, В, С – начала фазных обмоток; X, Y, Z – концы соответствующих фазных обмоток.

При соединении фаз источника энергии и приемника «звездой» (условное обозначение Υ) все концы фазных обмоток соединяются в общий узел N (рис. 55), такой же узел n образует соединение трех фаз приемника. Три обратных провода системы объединяют в один общий нейтральный провод. Остальные три провода, соединяющие генератор с приемником, называются линейными.

Рис. 55. Трехфазная система. Схема соединения «звездой»

Определим линейное напряжение , , :

;

;

,

где - действующее значение линейного напряжения.

Для пояснения рассмотрим векторную диаграмму напряжения (рис. 55). Сначала строятся фазные напряжения затем, согласно схеме соединения .

Рис. 56. Векторная диаграмма

при соединении системы «звездой»

Из образованных треугольников напряжений ( ) с углом 30° у основания следует cos 30°, = = 2U_Ф cos 30° = _.

При фазном напряжении 220 В линейное напряжение составляет 380 В; при фазном напряжении 127 В линейное напряжение составляет 220 В.

При соединении фаз источника энергии и приемника звездой линейные токи равны фазным токам, для симметричного приемника выполняется условие .

Трехфазные двигатели являются симметричными приемниками и всегда соединяются с источниками тремя проводами.

Для симметричных приемников нейтральный провод может отсутствовать, если симметрия приемника обязательно соблюдается (промышленно выполненные потребители являются симметричной нагрузкой).

Для осветительной сети (рис. 57) нейтральный провод обязателен, так как обеспечить полную симметричность нагрузки невозможно.

Квартирные

предохранители

A B C N

2-й этаж

1-й этаж

Магистральные предохранители

муфта

кабель

Рис . 57. Трехфазная сеть по схеме «звезда»

3-й этаж

В нейтральном проводе категорически запрещается установка выключателей или предохранителей: при отключении нейтрального провода фазные напряжения могут стать неровными. В результате наблюдается так называемый «перекос фаз»: в одних фазах (или фазе) может наблюдаться недокал, а в других фазах перекал и быстрое перегорание ламп.

Если же в таком подключении перегорает один из фазных предохранителей, то отключаются потребители только одной (соответствующей) фазы.

3. Соединение фаз «треугольником»

При соединении трехфазного источника и потребителя «треугольником» (условное обозначение ) нейтральный провод отсутствует (рис. 58).

При соединении «треугольником» конец фазной обмотки А (X) соединяется с началом фазной обмотки В, конец фазной обмотки В (Y) соединяется с началом обмотки С, а конец обмотки С (Z) соединяется с началом обмотки А.

В контуре А – В – С сумма синусоидальных токов равна нулю (на практике токи фазных обмоток не всегда синусоидальные, что является причиной появления уравнивающего тока в обмотках и, как следствие, причиной отказа от треугольной схемы соединения).

После объединения обмоток генератора напряжения каждой фазы остаются неизменными, поэтому и фазные токи , , в связанной системе такие же, как в не связанной системе (приемники и фазные обмотки соединены попарно).

Линейные токи в каждом из трех объединенных линейных проводов равны разностям соответствующих фазных токов: = – ; = – ; = – , линейные напряжения равны соответствующим фазным напряжениям.

У симметричного приемника , так что у всех фазных токов одинаковые действующие значения I_ф и одинаковые сдвиги фаз относительно соответствующих фазовых напряжений.

Рис. 58. Трехфазная система: соединение фаз треугольником

Для симметричного приемника действующие значения фазовых и линейных токов связаны соотношением

.

Действующие значения линейных и фазовых напряжений равны друг другу в том числе и при несимметричном приеме.

Преимуществом схемы соединения по сравнению с без нейтрального провода является взаимная независимость фазных токов.

На рис. 59 представлена схема освещения, соединенная «треугольником». Если при таком соединении перегорит один из магистральных предохранителей, лампы в двух фазах окажутся последовательно включенными и будут гореть в полнакала, напряжение же третьей фазы остается неизменным.

Квартирные

предохранители

A B C

Магистральные предохранители

муфта

кабель

Рис. 59. Трехфазная система:

схема соединения треугольником

4. Действие электрического тока на организм человека. Защитное заземление

Среди смертельных несчастных случаев на долю электротравм приходится в среднем по стране около 12 % , а в отдельных отраслях до 30 %, хотя число электротравм относительно общего числа несчастных случаев не превышает 3 %.

Человек начинает ощущать действие тока, начиная с 0,6 - 1,5 мА.

При токе 10 - 15 мА человек не может самостоятельно разорвать цепь поражающего его тока. Ток в 50 - 60 мА поражает органы дыхания и сердечно-сосудистую систему.

Величина и опасность тока, протекающего через человека, зависит от многих факторов: от внутреннего сопротивления человека (зависит от многих трудноучитываемых факторов, при расчетах полагают равным 1 кОм), от точек соприкосновения человека с токонесущими частями сети и т.д.

При напряжении до 250 - 300 В постоянный ток безопаснее переменного тока частоты 50 Гц. В диапазоне напряжений 400 - 600 В опасность постоянного и переменного токов практически одинакова, а при напряжении более 600 В постоянный ток опаснее переменного.

Наименьшую электроопасность с точки зрения возможного поражения человека электрическим током имеет трёхфазная цепь с изолированной нейтралью (рис. 60). При прикосновении к одной фазе ток протекает через человека и ёмкости фаз относительно земли. Для сетей малой протяжённости ёмкостное сопротивление проводов относительно земли велико и ток в теле человека не вызывает его поражения. То же происходит, если человек прикасается к изолированным от земли корпусам электрооборудования при повреждении электроизоляции одной из фаз.

Рис. 60. К пояснению электроопасности трехфазной цепи

с изолированной нейтралью

Чтобы уменьшить ток в теле человека, применяют защитные заземления корпусов электрооборудования. Тело прикоснувшегося к проводу человека включено параллельно заземлению, но сопротивление заземления значительно меньше (всего 4 – 40 Ом).

Недостатком трёхфазной сети с изолированной нейтралью является возможность длительного аварийного замыкания на корпус или землю одной из фаз (например, при обрыве провода). При этом ток в земле создаёт опасность для человека, на которого действует напряжение на расстоянии шага (пошаговое напряжение).

Для быстрого отключения сети (в протяжённых трёхфазных сетях с изолированной нейтралью) используют источник с глухозаземлённой нейтралью и защитное заземление или защитное зануление корпусов электрооборудования (рис. 61).

Рис. 60. Защитное заземление или защитное зануление

корпусов электрооборудования

Защитное зануление (преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводом металлических нетоковедущих частей электрооборудования) предпочтительнее там, где сопротивление защитного заземления относительно велико.

Заключение. Большинство силовых электрических сетей – сети трехфазного напряжения. Их основу составляют трехфазные генераторы, обладающие высокой надежностью, экономичностью при достаточной простоте конструкции.

Соединение потребителей с источниками напряжения в трехфазных сетях осуществляется по одной из двух схем: «звездой» и «треугольником». Каждая из схем соединения имеет свои достоинства и недостатки.

Трехфазные сети предполагают наличие симметричной нагрузки. Нарушение симметрии нагрузки приводит к нежелательным явлениям в сети, например, к «перекалу» и выходу из строя потребителей.

Силовые электрические сети являются объектами повышенной опасности вне зависимости от схемы соединения.

К работе с силовыми электрическими сетями допускаются специально подготовленные лица, прошедшие все виды инструктажа по технике безопасности и усвоившие меры оказания первой медицинской помощи.

Следует помнить, что человек начинает ощущать действие тока с 0,6 - 1,5 мА. При токе 10 - 15 мА человек не может самостоятельно разорвать цепь поражающего его тока. Ток в 50 - 60 мА поражает органы дыхания и сердечно-сосудистую систему.

Для защиты человека от поражения электрическим током в случае неисправности сетей применяют защитные заземления или защитные зануления корпусов электрооборудования. Однако указанные меры не являются предпосылками для нарушения мер безопасности при работе с электрооборудованием.

Категорически запрещается использовать в качестве защитного заземления трубы водоснабжения и отопления.

1. Почему стандарт частоты электроснабжения в России выбран 50 Гц? 2. Поясните принцип работы простейшего (двухполюсного) генератора? 3. Что называется ротором и статором в генераторе? 4. Какая схема соединения цепи в трехфазной системе называется «звездой»? 5. Какая схема соединения цепи в трехфазной системе называется «треугольником»? 6. В каком случае может отсутствовать нулевой провод в схеме соединения «звездой»? Когда нейтральный провод обязателен? 7. Почему в нейтральном проводе никогда не ставят предохранителей? При каких значениях протекающего по нему тока человек самостоятельно не способен разомкнуть цепь? 8. Поясните принцип действия защитного заземления и защитного зануления? 9. Почему нельзя использовать в качестве защитного заземления трубы водоснабжения и отопления?

Лекция 8